KR20210044631A - 연료전지차량 및 그 발전 제어 방법 - Google Patents

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KR20210044631A
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정재훈
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김효준
염상철
이승윤
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Abstract

본 발명은 연료전지차량 및 그 발전 제어 방법에 관한 것으로, 차량 운행을 위한 동력을 공급하는 모터, 상기 모터의 구동에 필요한 전력을 공급하는 연료전지 및 배터리, 및 상기 배터리의 방전출력을 모니터링하여 상기 배터리의 방전출력 부족을 예측하여 미리 상기 연료전지를 작동시키는 차량 제어기를 포함한다.

Description

연료전지차량 및 그 발전 제어 방법{FUEL CELL VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING GENERATION FOR THE SAME}
본 발명은 연료전지차량 및 그 발전 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지차량은 수소와 공기의 전기화학반응에 의해 발전하는 연료전지를 동력원으로 사용하는 차량을 말한다. 즉, 연료전지차량은 연료전지에서 생산되는 전력을 이용하여 차량의 모터를 구동한다. 이러한 연료전지차량은 배터리 방전출력 기준 값만을 고려하여 연료전지 출력을 얼마나 사용할지를 결정한다. 배터리 충전상태(State of Charge, SOC)가 낮아지거나 연속적으로 배터리를 고출력(고전류)으로 사용하거나 외기 온도가 저온일 경우, 배터리 보호를 위해 배터리 방전출력을 최대치(Max)에서 일정 이하 값으로 낮추게 된다. 이때, 가속을 위해 가속 페달을 밟는 경우, 배터리 방전출력이 낮은 상태에서 연료전지 작동이 지연되어 모터에서 필요한 출력을 충분히 공급하지 못하는 문제가 발생한다. 예컨대, 연료전지차량의 주행 모드가 전기차(Electric Vehicle, EV) 모드에서 하이브리드(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 모드로 천이하는 경우, 연료전지차량은 배터리 방전출력 기준 값만을 고려하여 연료전지를 작동시키기 때문에 가속 지연 현상이 발생할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 방전출력 감소 시작 시점 a부터 기정해진 방전출력 감소 기울기(D)에 따라 배터리 방전출력이 급격하게 감소하는데, 배터리 방전출력이 일정 값 이하로 감소한 시점 b에서 연료전지 작동 명령을 송신하여 연료전지를 재시동(restart)시킨다. 연료전지는 b 시점에 연료전지 작동 명령을 수신하면 b-c 구간 동안 재시동을 완료하고, c-d 구간 동안 출력을 증가시켜 100% 출력을 발생시킬 수 있다. 따라서, b-d 구간에서 운전자가 가속 페달을 밟아 가속을 시도하는 경우 배터리의 출력 부족으로 가속 지연 현상이 발생하게 된다.
본 발명은 배터리의 방전출력을 모니터링하여 배터리의 방전출력 부족 가능성을 예측하여 배터리의 가용출력이 부족해지기 전에 연료전지를 미리 작동시켜 연료전지 및 배터리의 가용출력 부족으로 인한 가속 지연 없이 가속할 수 있게 하는 연료전지차량 및 그 발전 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 배터리의 방전출력 부족을 예측하여 연료전지를 작동시킬 때 배터리의 방전출력을 기반으로 방전출력 감소 기울기를 제어하여 연료전지가 모터에서 요구하는 출력을 낼 수 있게 시간을 확보해주는 연료전지차량 및 그 발전 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량은 차량 운행을 위한 동력을 공급하는 모터, 상기 모터의 구동에 필요한 전력을 공급하는 연료전지 및 배터리, 및 상기 배터리의 방전출력을 모니터링하여 상기 배터리의 방전출력 부족을 예측하여 미리 상기 연료전지를 작동시키는 차량 제어기를 포함한다.
상기 차량 제어기는, 상기 배터리가 기설정된 기준 전류 이상으로 기준 시간 이상 방전하는 경우 상기 배터리의 방전출력 부족이 예상된다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지차량은 상기 연료전지의 동작을 제어하는 연료전지 제어기를 더 포함하며, 상기 차량 제어기는 상기 배터리의 방전출력 부족이 예상되는 경우, 연료전지 작동 명령을 연료전지 제어기로 전송하여 상기 연료전지를 작동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력을 기반으로 상기 연료전지 작동 명령의 송신 시점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력을 기반으로 배터리 방전출력 감소 기울기를 변경하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 제어기는, 배터리 방전출력 감소 시작 시점에 도달하면 상기 배터리 방전출력 감소 기울기에 근거하여 상기 배터리의 방전출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 한다.
상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 가능여부를 확인하고, 상기 배터리의 최대 방전출력이 가능하면 상기 배터리의 방전출력을 디폴트 값으로 복원하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)와 기준 SOC를 비교하여 상기 연료전지의 작동 중단을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하면, 상기 연료전지의 작동을 중단시키는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하지 않으면, 상기 연료전지의 작동을 유지시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량의 발전 제어 방법은 차량을 운행하는 동안 배터리의 방전출력을 모니터링하여 상기 배터리의 방전출력 부족을 예측하는 단계, 및 상기 배터리의 방전출력 부족이 예측되면 연료전지를 미리 작동시키는 단계를 포함한다.
상기 배터리의 방전출력 부족을 예측하는 단계는, 상기 배터리가 기준 전류 이상으로 기준 시간 이상 방전되는 경우 방전출력 부족이 예상된다고 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지를 미리 작동시키는 단계는, 상기 배터리의 방전출력 부족이 예상되면 연료전지 작동 명령을 송신하며 배터리 방전출력 감소 기울기를 변경하는 단계, 및 상기 배터리 방전출력 감소 기울기에 기반하여 상기 배터리의 방전출력을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 작동 명령은, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력에 근거하여 산출되는 송신 시점에 전송되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 방전출력 감소 기울기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 방전출력을 감소시키는 단계 이후, 상기 배터리의 최대 방전출력 가능을 확인하면 상기 배터리의 방전출력을 디폴트 값으로 회복시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 방전출력을 감소시키는 단계 이후, 상기 배터리의 상태에 근거하여 연료전지 작동 중단여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 작동 중단여부를 결정하는 단계는, 상기 배터리의 SOC를 검출하는 단계, 상기 배터리의 SOC와 기준 SOC를 비교하는 단계, 및 상기 배터리의 SOC와 상기 기준 SOC의 비교결과에 따라 상기 연료전지의 작동 중단을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지의 작동 중단을 제어하는 단계는, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하는 경우, 상기 연료전지의 작동을 중단시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지의 작동 중단을 제어하는 단계는, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하지 않는 경우, 상기 연료전지의 작동을 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리의 방전출력에 근거하여 가용출력이 부족해지기 전에 연료전지를 작동시켜 동력을 공급하므로, 배터리의 방전출력이 감소하는 구간에서 재가속 시 출력 부족에 의한 가속지연을 해결할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 배터리 방전시간에 따른 배터리 방전출력 및 연료전지 출력을 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량을 도시한 블록구성도.
도 3은 본 발명과 관련된 배터리 방전출력 맵을 도시한 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전시간에 따른 배터리 방전출력을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량의 발전 제어 방법을 도시한 흐름도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 출력을 종래와 비교 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량의 발전 제어 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량을 도시한 블록구성도이고, 도 3은 본 발명과 관련된 배터리 방전출력 맵을 도시한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전시간에 따른 배터리 방전출력을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 연료전지차량(이하, 차량)(100)은 연료전지(110), 연료전지 제어기(120), 배터리(130), 인버터(140), 모터(150) 및 차량 제어기(160)를 포함한다.
연료전지(110)는 산소와 수소를 화학적으로 반응시켜 전기에너지(전력)를 생산한다. 연료전지(110)의 출력단에는 역전류로부터 연료전지(110)를 보호하기 위해 역전류 보호회로가 구성될 수 있다.
연료전지 제어기(120)는 차량 제어기(160)의 지시(지령, 명령)에 따라 연료전지(110)의 전반적인 동작을 제어한다. 다시 말해서, 연료전지 제어기(120)는 연료전지(110)를 작동시켜 전기를 발생시키거나 연료전지(110)의 동작을 중단(중지)시킬 수 있다. 연료전지 제어기(120)는 도면에 도시하지 않았으나 프로세서 및 메모리 등을 포함할 수 있다.
연료전지 제어기(120)는 연료전지(110)를 작동시킬 때 연료전지(110)의 상태를 점검할 수 있다. 연료전지 제어기(120)는 연료전지(110)의 상태가 정상인 경우 연료전지(110)의 동작을 제어하여 최대 출력(즉, 100% 출력)을 생산하게 한다. 한편, 연료전지 제어기(120)는 연료전지(110)의 상태가 정상이 아닌 경우, 연료전지(110)의 동작을 중단시키며 중단 사유를 사용자가 인지할 수 있는 형태로 출력한다.
배터리(130)는 전기에너지를 저장(충전)하거나 저장된 전기에너지를 방출(방전)한다. 배터리(130)는 회생 제동 시 모터(150)에서 발전되는 전력을 저장할 수도 있다. 이러한 배터리(130)는 고전압 배터리로 구현될 수 있다. 배터리(130)는 배터리(130)의 입출력을 제어하는 전력변환장치를 포함할 수 있다. 전력변환장치는 배터리(130)로부터 출력되는 출력전력 또는 배터리(130)로 입력되는 입력전력을 제어한다. 예컨대, 전력변환기는 배터리(130)로부터 출력되는 전압을 모터 구동에 요구되는 전압으로 변환하여 인버터(140)에 전달하거나 배터리(130)로 입력되는 입력전압을 배터리(130)의 충전을 위해 요구되는 충전전압으로 변환한다.
연료전지(110)와 배터리(130)는 차량(100) 내 모터(150)의 구동에 요구되는 전력을 공급하는 에너지원이다. 모터 구동에 이용하는 에너지원(동력원)에 따라 차량(100)의 주행모드가 결정된다. 주행모드는 연료전지(110)의 출력을 단독으로 이용하는 연료전지 모드, 배터리(130)의 출력을 단독으로 이용하는 전기차(Electric Vehicle, EV) 모드, 및 연료전지(110)와 배터리(130)의 출력을 이용하는 하이브리드(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 모드로 구분될 수 있다.
인버터(140)는 연료전지(110) 및/또는 배터리(130)로부터 공급되는 고전압의 직류전력을 모터 구동에 요구되는 특정 레벨의 전력(교류 또는 직류)으로 변환한다. 예컨대, 인버터(140)는 연료전지(110) 및/또는 배터리(130)로부터 출력되는 고전압을 3상의 교류전압으로 변환할 수 있다.
모터(150)는 인버터(140)를 통해 전력을 공급받아 구동하는 전기모터이다. 모터(150)는 연료전지(110) 및/또는 배터리(130)의 출력을 이용하여 차량 운행에 필요한 동력을 발생시킨다. 모터(150)는 차량 제어기(160)의 지시(예: 구동토크)에 따라 구동한다.
차량 제어기(160)는 차량(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 차량 제어기(160)는 프로세서(161) 및 메모리(162)를 포함한다. 프로세서(161)는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), DSP(Digital Signal Processor), PLD(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), CPU(Central Processing unit), 마이크로 컨트롤러(microcontrollers) 및 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 메모리(162)는 프로세서(161)가 기정해진 동작을 수행하도록 프로그래밍된 소프트웨어를 저장할 수 있다. 메모리(162)는 프로세서(161)의 동작에 따른 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 저장할 수도 있다. 이러한 메모리(162)는 플래시 메모리(flash memory), 하드디스크(hard disk), SD 카드(Secure Digital Card), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), PROM(Programmable Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), EPROM(Erasable and Programmable ROM) 및 레지스터 등의 저장매체 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
메모리(162)는 배터리 스펙 정보 및 차량(100)에 탑재된 배터리 스펙에 따른 배터리 방전출력 맵(map)을 저장할 수 있다. 메모리(162)는 도 3과 같은 배터리 방전출력 맵을 저장할 수 있다. 도 3에서 Max는 디폴트 조건에서 배터리(130)의 최대 방전출력(최대값, 최대치) M을 의미하며, 배터리(130)의 현재 최대 방전출력은 배터리 충전상태(State of Charge, SOC)와 배터리 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 외기 온도가 -10℃이고 SOC가 40%인 상태에서 첫 시동을 걸면, 배터리(130)는 최대값 Max의 절반에 해당하는 출력을 낼 수가 있다. 즉, 배터리(130)의 현재 방전출력 N은 Max×0.5가 된다. 또는, 외기 상온 이상 조건에서 차량(100)이 가감속 주행을 반복하여 배터리 온도가 50℃ 이상으로 상승하면, 배터리 출력은 점점 선형적으로 감소하여 배터리(130)의 현재 방전출력 N은 최대값 M 이하로 내려가게 된다. 도 3에서는 SOC 및 온도를 10% 및 10℃ 단위로 세분화한 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 더 세분화할 수도 있다.
프로세서(161)는 EV 모드로 차량을 운행하며 배터리(130)의 방전출력을 모니터링한다. 다시 말해서, 프로세서(161)는 배터리(130)로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터(150)를 구동하며 배터리 출력을 실시간으로 감시한다.
프로세서(161)는 배터리(130)의 방전출력에 근거하여 배터리 출력 부족 가능성 여부를 예측(판단)한다. 프로세서(161)는 배터리 출력을 모니터링하여 배터리(130)의 방전출력이 부족한 상황 발생이 예상(예측)되는지를 판단한다. 프로세서(161)는 배터리(130)의 방전출력이 기준 조건을 만족하면 배터리(130)의 방전출력 부족이 예상된다고 판단한다. 여기서, 기준 조건은 배터리(130)가 기설정된 기준 전류 이상으로 기설정된 기준 시간 이상 연속적으로 방전되는 경우이고, 기준 전류는 배터리 스펙을 기반으로 설정되며, 기준 시간은 시스템 설계자에 의해 설정된다. 예를 들어, 프로세서(161)는 배터리(130)가 출력전류 300A 이상으로 20초 이상 사용되는 경우 배터리 출력 부족이 예상된다고 판단할 수 있다.
프로세서(161)는 배터리(130)의 방전출력 부족이 예상(예측)되는 경우, 연료전지 동작(작동)을 지시하는 신호(예: ON Flag)를 연료전지 제어기(120)로 송신한다. 이때, 프로세서(161)는 [수학식 1]을 이용하여 연료전지 작동을 지시하는 명령을 생성하는 시점 즉, 연료전지 작동 명령 시점 TON[sec]을 산출한다. 프로세서(161)는 산출된 연료전지 작동 명령 시점 TON에 연료전지 작동 명령을 전송한다.
Figure pat00001
여기서, Tfall은 배터리(130)의 방전출력이 저하되는 시점(즉, 방전출력 감소 시작 시점), M은 배터리(130)의 최대 방전출력 즉, 배터리 스펙에 있어서 최고 출력값, N은 배터리(130)의 현재 최대 방전출력(이하, 현재 방전출력)으로, 배터리 온도 및 배터리 SOC에 따라 달라진다. 배터리 방전출력 감소 시작 시점 Tfall은 시스템 설계자에 의해 사전에 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 프로세서(161)는 배터리(130)가 최대 방전출력 M으로 출력하는 경우 배터리 방전출력 감소 시작 시점 Tfall보다 앞서 T1 시점에 연료전지 작동 명령을 송신한다. 프로세서(161)는 배터리(130)의 현재 방전출력 N이 배터리(130)의 최대 방전출력 M보다 낮은 경우, T1보다 더 빠른 T2 시점에 연료전지 작동 명령을 송신한다.
또한, 프로세서(161)는 배터리(130)의 방전출력 감소 기울기 즉, 방전출력 감소 속도를 변경할 수 있다. 배터리 방전출력 감소 기울기 S[W/ms]는 [수학식 2]와 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, D는 디폴트(default) 조건에서 방전출력 감소 기울기를 의미한다. D는 소프트웨어 개발자가 1차 선정하고, 차량 파인 튜닝(fine tuning)하는 성능시험 개발자가 확정한다.
프로세서(161)는 배터리(130)의 방전출력 감소 기울기를 가변 제어하여 배터리(130)의 현재 방전출력에 관계없이 기설정된 최저 방전출력에 도달하는 시간을 유사하게 제어할 수 있게 한다. 여기서, 최저 방전출력은 시스템 설계자에 의해 사전에 설정될 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(130)의 방전출력이 M에서 N으로 감소하면, 배터리(130)의 방전출력 감소 기울기를 가변시켜 배터리(130)의 방전출력이 최저 방전출력에 도달하는데 소요되는 시간을 유사하게 제어한다. 본 실시 예에 따르면, 종래에 1~3초 이내에 최저 방전출력까지 급감시키던 배터리(130)의 방전출력을 약 10초 내외로 완화함으로써 연료전지 시스템이 정상화될 때까지 시간을 확보할 수 있다.
프로세서(161)는 배터리(130)의 방전출력이 예상되는 경우, 배터리(130)의 방전출력을 기정해진 레벨(방전출력)로 낮춰 차량(100)을 운행할 수 있다. 이때, 프로세서(161)는 [수학식 2]에 의해 계산된 배터리 방전출력 감소 기울기 S에 따라 배터리(130)의 방전출력을 감소시킨다. 또한, 프로세서(161)는 연료전지 제어기(120)에 연료전지 작동 명령을 송신하여 연료전지(110)를 작동시킬 수 있다. 연료전지 제어기(120)는 연료전지 시스템을 점검하고 점검 결과 이상이 없으면 연료전지(110)를 작동시켜 최대 출력에 도달하게 한다.
프로세서(161)는 연료전지(110)의 동작 상태 및 배터리(130)의 상태 정상여부를 확인한다. 즉, 프로세서(161)는 연료전지(110)가 동작 중인지를 확인하고, 배터리(130)의 상태 예컨대, 온도, 셀 및 각종 센서가 정상인지를 확인한다. 다시 말해서, 프로세서(161)는 배터리(130)가 최대 방전출력을 낼 수 있는 상태인지를 확인한다.
프로세서(161)는 배터리(130)가 최대 방전출력이 가능한 상태인 경우 배터리 방전출력을 디폴트 값(즉, 최대 방전출력 M)으로 회복시킨다. 이때, 프로세서(161)는 앞서 계산된 배터리 방전출력 감소 기울기에 음수를 곱한 배터리 방전출력 상승 기울기에 근거하여 배터리 방전출력(배터리 출력)을 증가시킨다.
프로세서(161)는 배터리(130)의 최대 방전출력이 가능한 경우 배터리(130)의 SOC에 근거하여 연료전지(110)의 동작(작동) 중지(중단) 여부를 결정한다. 프로세서(161)는 배터리(130)의 SOC를 검출하고 검출된 SOC가 기준 SOC를 초과하는지를 확인한다. 프로세서(161)는 검출된 SOC가 기준 SOC를 초과하면 연료전지(110)의 동작을 중단시킨다. 한편, 프로세서(161)는 검출된 SCO가 기준 SOC를 초과하지 않으면 연료전지(110)의 동작을 유지한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량의 발전 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 차량 제어기(160)는 EV 모드로 차량(100)을 운행한다(S110). 차량 제어기(160)는 배터리(130)로부터 공급되는 전력을 이용하여 모터(150)를 구동시킨다.
차량 제어기(160)는 배터리(130)의 방전출력을 모니터링하여 배터리 방전출력 부족(배터리 출력 부족)이 예상되는지를 판단한다(S120). 차량 제어기(160)는 배터리(130)가 기준 전류 이상으로 기준 시간 이상 방전하는 경우, 배터리 출력 부족이 예상된다고 결정한다.
차량 제어기(160)는 배터리 방전출력 부족이 예상되는 경우, 연료전지 작동 명령을 연료전지 제어기(120)로 전송하며 배터리 방전출력 감소 기울기를 변경한다(S130). 연료전지 제어기(120)는 연료전지 작동 명령을 수신하면 자가 점검을 통해 연료전지(110)의 상태를 점검한다. 연료전지 제어기(120)는 연료전지(110)의 상태 점검 결과 정상이면 연료전지(110)를 동작시켜 출력을 증가시킨다.
차량 제어기(160)는 연료전지(110)가 동작하는 상태에서 배터리 방전출력 감소 시작 시점에 도달하면, 변경된 배터리 방전출력 감소 기울기에 기반하여 배터리(130)의 방전출력을 감소시킨다(S140). 차량 제어기(160)는 배터리 방전출력 감소 기울기에 따라 감소된 배터리(130)의 방전출력으로 모터(150)를 구동한다.
차량 제어기(160)는 연료전지(110)가 동작 중이며 배터리(130)가 최대 방전출력이 가능한 상태인지를 확인한다(S150). 차량 제어기(160)는 연료전지 제어기(120)를 통해 연료전지(110)가 동작 중인지를 확인한다. 또한, 차량 제어기(160)는 배터리(130)의 상태 예컨대, 배터리 온도, 배터리 셀 상태 및 각종 센서 상태 등을 점검(진단)하여 배터리(130)가 최대 방전출력으로 방전이 가능한지를 결정한다.
차량 제어기(160)는 연료전지(110)가 동작 중(동작 상태)이며 배터리(130)가 최대 방전출력이 가능한 상태이면 배터리(130)의 방전출력을 디폴트로 복원한다(S160). 차량 제어기(160)는 S130에서 계산된 배터리 방전출력 감소 기울기에 음수를 곱한 배터리 방전출력 상승 기울기에 기반하여 배터리(130)의 방전출력을 증가시킨다.
이어서, 차량 제어기(160)는 배터리(130)의 SOC를 검출한다(S170). 차량 제어기(160)는 검출된 배터리(130)의 SOC가 기준 SOC를 초과하는지를 확인한다(S180). 여기서, 기준 SOC는 설계자에 의해 사전에 설정되는 값이다.
차량 제어기(160)는 배터리(130)의 SOC가 기준 SOC를 초과하면, 연료전지 동작을 중단시킨다(S190). 차량 제어기(160)는 연료전지 중지 명령을 연료전지 제어기(120)로 전송한다. 한편, 차량 제어기(160)는 배터리(130)의 SOC가 기준 SOC를 초과하지 않으면 연료전지 동작을 유지시킨다(S200).
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 출력을 종래와 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래에는 배터리 방전출력 감소 시작 Tfall 이후 FCrestart에서 연료전지가 작동(시동)하여 FCcomplete에 100% 출력을 제공하므로, 연료전지 시스템이 정상화되는 데까지 소요되는 시간 A동안에 가속 페달을 밟으면 가속지연이 발생한다.
한편, 본 발명에서는 배터리 방전출력 감소 시작 Tfall 이전에 연료전지를 작동시키므로, B구간에서 배터리 방전출력의 부족을 연료전지의 출력으로 보완한다. 더불어, 배터리 방전출력(배터리 출력)이 감소하는 기울기까지 완화하므로, 모터(150)를 구동하는데 요구되는 출력이 C와 같이 증가하더라도, 연료전지(110)와 배터리(130)의 출력에 의해 충족되어 연료전지 및 배터리의 가용출력 부족으로 인한 가속지연을 개선할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지차량의 발전 제어 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory)(1310) 및 RAM(Random Access Memory)(1320)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서(1100) 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서(1100) 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연료전지차량
110: 연료전지
120: 연료전지 제어기
130: 배터리
140: 인버터
150: 모터
160: 차량 제어기
161: 프로세서
162: 메모리

Claims (20)

  1. 차량 운행을 위한 동력을 공급하는 모터,
    상기 모터의 구동에 필요한 전력을 공급하는 연료전지 및 배터리, 및
    상기 배터리의 방전출력을 모니터링하여 상기 배터리의 방전출력 부족을 예측하여 미리 상기 연료전지를 작동시키는 차량 제어기를 포함하는 연료전지차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 배터리가 기설정된 기준 전류 이상으로 기준 시간 이상 방전하는 경우 상기 배터리의 방전출력 부족이 예상된다고 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지의 동작을 제어하는 연료전지 제어기를 더 포함하며,
    상기 차량 제어기는 상기 배터리의 방전출력 부족이 예상되는 경우, 연료전지 작동 명령을 연료전지 제어기로 전송하여 상기 연료전지를 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력을 기반으로 상기 연료전지 작동 명령의 송신 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력을 기반으로 배터리 방전출력 감소 기울기를 변경하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 배터리 방전출력 감소 시작 시점에 도달하면 상기 배터리 방전출력 감소 기울기에 근거하여 상기 배터리의 방전출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 가능여부를 확인하고, 상기 배터리의 최대 방전출력이 가능하면 상기 배터리의 방전출력을 디폴트 값으로 복원하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)와 기준 SOC를 비교하여 상기 연료전지의 작동 중단을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하면, 상기 연료전지의 작동을 중단시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 차량 제어기는, 상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하지 않으면, 상기 연료전지의 작동을 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량.
  11. 차량을 운행하는 동안 배터리의 방전출력을 모니터링하여 상기 배터리의 방전출력 부족을 예측하는 단계, 및
    상기 배터리의 방전출력 부족이 예측되면 연료전지를 미리 작동시키는 단계를 포함하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리의 방전출력 부족을 예측하는 단계는,
    상기 배터리가 기준 전류 이상으로 기준 시간 이상 방전되는 경우 방전출력 부족이 예상된다고 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지를 미리 작동시키는 단계는,
    상기 배터리의 방전출력 부족이 예상되면 연료전지 작동 명령을 송신하며 배터리 방전출력 감소 기울기를 변경하는 단계, 및
    상기 배터리 방전출력 감소 기울기에 기반하여 상기 배터리의 방전출력을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 연료전지 작동 명령은, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력에 근거하여 산출되는 송신 시점에 전송되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 방전출력 감소 기울기는, 상기 배터리의 최대 방전출력 및 현재 방전출력에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 배터리의 방전출력을 감소시키는 단계 이후,
    상기 배터리의 최대 방전출력 가능을 확인하면 상기 배터리의 방전출력을 디폴트 값으로 회복시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 배터리의 상태에 근거하여 연료전지 작동 중단여부를 결정하는 단계를
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 연료전지 작동 중단여부를 결정하는 단계는,
    상기 배터리의 SOC를 검출하는 단계,
    상기 배터리의 SOC와 기준 SOC를 비교하는 단계, 및
    상기 배터리의 SOC와 상기 기준 SOC의 비교결과에 따라 상기 연료전지의 작동 중단을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 연료전지의 작동 중단을 제어하는 단계는,
    상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하는 경우, 상기 연료전지의 작동을 중단시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 연료전지의 작동 중단을 제어하는 단계는,
    상기 배터리의 SOC가 상기 기준 SOC를 초과하지 않는 경우, 상기 연료전지의 작동을 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 발전 제어 방법.
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